نسل بعدی سوسک‌های رباتیک کاوشگر در محیط‌های زیر آب ‏

همه می‌دانند که سوسکها با اتکاء بر بعضی قابلیتهای وجودی خود، در نهایت عمر بیشتری از انسان خواهند داشت. به این دلیل که می‌توانند در آب و هوای سرد دوام آورده، به مدت 30 دقیقه در زیر آب زنده بمانند و حتی با از دست دادن سر خود حدود یک هفته به زندگی خود ادامه دهند. از اینرو مهندسان دانشگاه هاروارد تحت تأثیر قابلیت بقاء این موجودات ریز قرار گرفته و تصمیم به ساخت حشراتی ماشینی گرفته‌اند. آنها قصد دارند ساخته خود را به میکرو رباتهای متحرکی تبدیل ساخته که هم سریع باشند و هم از خود عکس‌العمل نشان دهند. این مهندسان مدلی از نسل بعدی این حشرات ماشینی را ساخته که قادر است راه برود و در زیر آب شنا کند.

این ربات متعلق به نسل آینده، HAMR نام دارد که از پاهایی متشکل از پدهای چند منظوره استفاده کرده و مجهز به هشت سیستم محرک پیزوالکتریک است که به هر پا دو درجه آزادی عمل عطاء می‌کند (برای هر جسم در فضا می‌توان سه حرکت دورانی و سه حرکت انتقالی در نظر گرفت. به هر یک از این شش حرکت یک درجه آزادی گفته می‌شود). بدین معنی که با تکیه بر کشش سطحی به هنگام نیاز به شنا از خاصیت شناوری آن بهره برده و همچنین زمانی که لازم است به زیر آب فرو رود به این دلیل که وزن کمی (6ر1 گرم) دارد و قادر به شکستن کشش سطحی آب نیست، از پدهای الکترووِتینگ بهره می‌برد یعنی می‌تواند با اعمال ولتاژ بر روی سطح آب این کار را انجام ‌دهد. این فرایند تحت عنوان الکترووتینگ (Electrowetting‎) شناخته می‌شود که در واقع کاهش زاویه تماس میان یک ماده و سطح آب تحت یک ولتاژ اعمال شده را گویند. این تغییر زاویه تماس، شکستن سطح آب را برای اجسام آسان‌تر می‌سازد.

 هر یک از پاهای ربات متشکل از یک پد الکترووتینگ و دو باله‌ است. تحمل وزن ربات بوسیله پدهای الکترووتینگ با استفاده از اثرات کشش سطحی و حرکت پارووار باله‌ها به منظور ایجاد نیروی رانشی در زیر آب.

این ربات با استفاده از چهار جفت باله رباتیک نامتقارن و به صورت سفارشی قادر است بر روی سطح آب شنا کند.حرکت بر روی سطح آب به این میکروبات اجازه داده از موانع پنهان آب اجتناب کرده و به راحتی و با سرعت مناسب حرکت کند. این ربات با استفاده از چهار جفت باله رباتیک نامتقارن و به صورت سفارشی قادر است بر روی سطح آب شنا کند. با الهام پذیری از فیزیولوژی بدن سوسک غواص و مکانیسم شنای این حشره، این ربات مجهز به باله‌های منفعلی است که حرکات نامتقارنی را جهت جابجایی بر روی سطح آب ایجاد می‌کنند. این کار به ربات اجازه داده به طور مؤثر رو به جلو شنا کرده و بچرخد.

کوین چِن (Kevin Chen) دارای درجه فوق دکترای دانشکده مهندسی و علوم کاربردی جان پالسون هاروارد (SEAS) عنوان می‌کند که: «این پژوهش نشان می‌دهد میکرو روباتیک قادر است با تکیه بر خواص فیزیکی در مقیاس کوچک که در اینجا کشش سطحی را شامل می‌شود، قدرتنمایی کرده و از این طریق عملکردها و قابلیتهایی را به اجرا گذارد که برای رباتهای بزرگتر چالش برانگیز است».

تازه‌ترین تحقیق انجام شده در مجله نِیچر کامیونیکیشنز (Nature Communications) به چاپ رسیده است.

به گفته‌ی نیل دوشی (said Neel Doshi) فارغ‌التحصیل دانشکده مهندسی و علوم کاربردی هاروارد: «اندازه HAMR بخش کلیدی عملکرد آن است». «اگر اندازه این ربات بزرگتر بود، در تحمل کشش سطحی با چالش روبرو می‌شد و چنانچه کوچکتر از اندازه فعلی بود، امکان داشت نتواند نیروی کافی جهت شکستن آن را تولید کند».

وزن 65ر1 گرمی HAMR (تقریباً برابر با وزن یک گیره بزرگ کاغذ)، این ربات را قادر می‌سازد 44ر1 گرم بار اضافی را بدون فرو رفتن در آب حمل کرده و پاهای خود را با فرکانس 10 هرتزی پارو وار بچرخاند. این ربات دارای پوششی از پاریلن (Parylene ‎) بوده تا از خراب شدگی یا شکنندگی آن در زیر آب جلوگیری شود.
این ربات جهت بازگشت به خشکی با چالشهای فراوان ناشی از نیروی بازدارندگی آب مواجه است
HAMR در زیر آب از همان شیوه راه رفتن بر روی خشکی استفاده کرده و در همان حد دارای قدرت حرکت است. این ربات جهت بازگشت به خشکی با چالشهای فراوان ناشی از نیروی بازدارندگی آب مواجه است. نیروی کشش سطحی آب که دو برابر وزن ربات است موجب به پایین کشیده شدن ربات شده و علاوه بر آن نیروی چرخشی ایجاد شده موجب افزایش شدید اصطکاک در قسمت پاهای عقبی آن می‌شود. پژوهشگران جهت رفع این مشکل پدهای نرمی را به پاهای جلوی آن نصب کردند به این منظور که ظرفیت باربری را افزایش داده و اصطکاک ایجاد شده در حین بالا آمدن را تقسیم کنند. در نهایت این ربات با بالا آمدن از طریق یک شیب ملایم قادر است از نیروی بازدارند‌گی آب فرار کند.

 شکل (الف) حرکت ربات را نشان می‌دهد. ربات می‌تواند بر روی سطح زمین راه رفته، روی سطح آب شنا کند و به زیر آب رفته و در زیر آب راه برود و مابین خشکی و سطح آب و محیط زیر آب در رفت آمد باشد. شکل (ب) حرکت چندگانه ربات. (ج) حرکت ربات روی سطح آب. (ه) بالا آمدن ربات از یک سطح شیب دار. (و) پدیدار شدن تدریجی ربات از آب به هوا. (ز) خارج شدن کامل ربات از آب

به گفته رابرت وود (Robert Wood) پروفسور مهندس علوم کاربردی دانشگاه SEAS و عضو هیئت مدیره مؤسسه  Wyss هاروارد: «این ربات به خوبی نشان دهنده برخی چالشها و فرصتهای پیش روی رباتهای در مقیاس کوچک است». وی می‌افزاید: «کوچک شدگی این رباتها این مجال را فراهم می‌سازد که میزان تحرک پذیری آنها همچون راه رفتن بر روی سطح آب افزایش یابد، اما در عین حال چالشهایی را به همراه دارد به این دلیل که فشارها و نیروهایی که برای مقیاس‌های بزرگتر می‌پذیریم می‌تواند بر اندازه یک حشره غالب باشد».

پژوهشگران امیدوارند که در آینده میزان جابجایی و تحرک HAMR را بهبود بخشیده و راهی را جهت بازگشت این ربات به زمین بدون نیاز به سطح شیب دار شاید با الهام گرفتن از مکانیسم‌های جهش ناگهانی یا خاصیت چسبناکی مارمولک و ترکیب آنها با یکدیگر بیابند.

این تحقیق با همکاری بنیامین گلدبرگ (Benjamin Goldberg ‎) و هانگیانگ وانگ (Hongqiang Wang‎) و تحت حمایت دانشکده مهندسی و علوم کاربردی جان پالسون هاروارد، مؤسسه Wyss و دفتر برنامه تحقیقاتی دانشگاه دفاع، بخش تحقیقات دریایی انجام شد.

برگرفته از سایت sciencedaily